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ASTM E1981-22标准解读：绝热量热法在电池热稳定性评估中的方法论
分类：技术知识 | 标签：ASTM E1981-22、绝热加速量热仪、ARC测试标准、热稳定性评估、HWS方法
摘要
ASTM E1981-22《通过加速量热法评估材料热稳定性的标准指南》是绝热量热技术领域的重要方法论文件。本文系统解读该标准的关键术语体系、"校准-验证-样品测试"三阶流程、热惯性因子校正方法，以及压力同步监测在电池热失控评估中的独特价值。探讨标准化工方法向电池测试领域迁移的方法适配要点，为电池热安全实验室建立规范化的ARC操作流程提供方法论指导。
一、引言：标准定位与方法论价值
ASTM E1981-22是由ASTM国际标准组织E27委员会制定的重要技术文件。与许多强制性测试标准不同，这份文件在性质上属于"指南"（Guide），其目的在于为操作绝热量热设备提供一套系统化的建议程序，而非规定唯一的测试方法。这一属性决定了它在应用中具有相当的灵活性，同时也对使用者的专业判断提出了更高要求。近十年来，ARC已成为电池热失控研究中最核心的测试工具之一，深入理解本标准的方法论框架对于提升电池热安全评估的规范性至关重要。热安全团队（thermsafe.cn）在ARC测试标准化方面持续深耕，本文基于标准原文解读与电池测试实践经验进行系统梳理。
二、关键术语体系：理解ARC测试的"语言"
准确理解核心术语是正确设计和解读ARC测试实验的前提。ASTM E1981-22定义了包含以下内容在内的完整术语体系：
| 术语 | 符号 | 定义要点 |
|---|---|---|
| 绝热加速量热仪 | ARC | 在进行量热测量的同时将样品与环境之间的热损失/热补偿控制在最小程度的仪器 |
| 自催化反应 | — | 反应产物或中间体充当催化剂的化学反应，速率随产物积累而加速 |
| 起始温度 | Tstart | 自加热速率首次超过灵敏度阈值时的系统温度；非物质的固有属性，而是仪器依赖参数 |
| 最终温度 | Tfinal | 自加热速率降至灵敏度阈值以下时的系统温度 |
| 热惯性因子 | Φ | 校正样品容器吸热的系数：Φ=1+(MbCb)/(MsCs)；用于还原真实绝热温升和反应热 |
| 表观绝热温升 | ΔTobs | Tfinal-Tstart；实际观测到的温升值 |
| 理想绝热温升 | ΔTad | ΔTobs×Φ；全部热量仅用于升高样品自身温度时的理论温升 |
| 达到最大速率时间 | TMR | 从起始温度到最大自加热速率所需的时间，除以Φ得到更保守的校正值 |
| 热失控反应 | — | 系统内热量生成速率超过热量移除速率的化学反应 |
值得特别关注的是，标准明确指出起始温度并非物质的固有属性，而是取决于量热系统固有灵敏度的仪器依赖参数。这一概念对电池测试具有重要启示——不同品牌和型号的ARC设备可能给出不同的Tonset值，在进行跨实验室数据对比时必须考虑设备的灵敏度差异。
[图片：ASTM E1981-22标准术语体系中关键参数在ARC温升曲线上的位置标注]
三、测试流程精要：校准先行的三阶方法论
ASTM E1981-22将测试流程概括为"校准→验证→样品测试"三阶推进：
3.1 校准阶段——数据可靠性的基石
标准明确要求仪器校准应定期进行，且在热电偶或加热器更换、样品容器破裂、系统出现不可接受漂移等情况下强制执行。校准必须使用与测试样品相同材质和尺寸的空样品容器，温度范围应覆盖实际测试全部区间。对于绝热环境下的电池测试，推荐使用与电池同尺寸的铝合金块进行校准及验证——搜寻步骤的温升速率应控制在±0.02°C/min以内，超出范围则需调整腔体控制参数重新执行校准。
3.2 验证阶段——标准物质"参考指纹"比对
标准附录给出了三种典型验证体系：20%二叔丁基过氧化物（DTBP）的甲苯溶液、12%偶氮二异丁腈（AIBN）的二氯甲烷溶液、以及甲醇与乙酸酐的2:1摩尔比混合物。这些体系在特定条件下的自加热速率曲线被作为"参考指纹"，用户通过比对实测曲线与参考数据来验证仪器是否处于正常状态。这一过程不仅验证温度测量的准确性，也综合检验加热控制、绝热追踪和数据采集等全部功能模块的协同性能。
3.3 样品测试——全程数据记录的规范步骤
经过验证的仪器方可进入正式测试。操作者需详细记录样品质量、容器质量、顶空气氛、起始温度、步长、等待时间、搜寻阈值等全部参数。标准特别建议全程记录温度和压力数据（而非仅在放热段记录），以便揭示反应前样品的物理变化（如相变、溶解）或极微弱的热效应。测试结束后还应记录残余压力、分析顶空气体、称量残留物质量，这些信息对评估气体生成量和反应完全程度至关重要。
[图片：ASTM E1981-22推荐的"校准-验证-样品测试"三阶流程图]
四、热惯性因子：从化工到电池的方法迁移关键
在电池ARC测试中，热惯性因子的影响远比化工液体测试更为突出。当考虑电池内部材料作为研究对象时，电池其他材料（壳体、隔膜、未参与反应的电极和电解液、铜箔、铝箔、粘结剂等）的热容是不可忽略的热负载，可能改变起始放热温度的测量值。当考虑电池整体作为研究对象时，夹板、测试支架、热电偶固定胶带等周围热惰性负载同样影响Φ值。
根据Φ因子等式，设备检测的温升与Φ的乘积为实际绝热温升——这意味着这些热惰性负载可能导致电池的放热起始温度被高估，进而影响安全评估的保守性。标准明确要求对Φ因子进行校正以获得更真实的绝热温升和TMR值，这一原则在电池测试中同样适用且更为重要。
五、压力同步监测：常被忽视的关键维度
ASTM E1981-22自始至终将温度与压力数据并列为同等重要的输出量，这种"温度-压力并重"的理念对电池测试具有重要启示：
| 应用维度 | 具体价值 |
|---|---|
| 标记关键事件 | 压力数据可以明确标记电池破口、开阀和热失控的时刻。电池内部气体释放到密封腔体内必然导致气压升高，为从另一维度确认事件时间点提供了独立证据 |
| 评估火灾风险 | 电池热失控释放的H2、CO、CO2、CH4、C2H4等气体不仅导致包内压急剧升高，还可能形成可燃爆炸性气氛。仅关注温度参数而忽略压力演变，无法完整评估热危害全貌 |
| 区分反应阶段 | 不同阶段的产气速率和气体组分存在显著差异。压力上升速率曲线往往比温度曲线更敏感地捕捉到SEI膜分解到电解液燃烧的阶段转变 |
| 传感器维护 | 电解液分解产物可能冷凝或聚合，污染压力传感器及连接管路，导致测量偏差。标准要求定期检查和维护压力传感器，在长期电池测试中尤为重要 |
热安全团队（thermsafe.cn）在ARC测试实践中将压力监测作为标准配置，确保每次热失控测试都能同时获取温度和压力的完整时间序列数据，为后续产气分析和安全评估提供双重信息维度。
六、方法的局限性与电池领域的适配
标准明确列出了多项局限性，对电池测试具有重要警示价值：非均相体系（电池内部存在固-液-气多相界面）可能无法给出定量可靠的结果；传热限制可能导致观察到的反应速率失真；多步反应时简单动力学方程的适用性存疑。因此，电池ARC数据的解读不应照搬均相化学反应动力学的处理方式，而应结合电化学、材料学和传热学知识进行综合判断。这也正是标准作为"指南"而非"规范"的初衷所在——留给使用者根据具体体系进行审慎调整的空间。
七、总结
ASTM E1981-22作为一份历经多年完善的标准化指南，为绝热量热技术的规范应用提供了系统的方法论框架。其核心精神——"校准先行确保数据可信、热惯性校正还原真实行为、压力同步监测完善危害评估"——对电池热安全研究具有深刻的方法学指导价值。随着电池能量密度持续提升和大型储能系统规模化部署，基于ARC的热失控表征需求日益增长，深入理解并科学运用本标准的相关原则，将有助于提升电池热安全评估的规范性和可靠性。
[图片：ASTM E1981-22方法论在电池热安全评估中的应用框架总结]
参考文献
- ASTM E1981-22 Standard Guide for Assessing Thermal Stability of Materials by Methods of Accelerating Rate Calorimetry
- ASTM E487恒温稳定性测试、E698动力学参数测定、E1231危害指数计算等互补标准
- H.E.L BTC系列绝热加速量热仪技术文档
热安全团队测试业务
热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。